[论文解读] Redshift of photons penetrating a hot plasma

Ari Brynjolfsson|ArXiv.org|Jan 21, 2004

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 24被引用 30

一句话总结

本文提出了一种新颖的量子力学机制——离子体红移，用于解释光子在高温、低密度等离子体（如太阳日冕、星系日冕和星间介质）中传播时的能量损失。该机制基于标准量子力学与经典电动力学推导，表明光子通过与大量电子的相干多次散射而损失能量，导致显著加热，并在不引入暗能量、暗物质或宇宙膨胀的前提下解释了宇宙学红移现象。

ABSTRACT

A new interaction, plasma redshift, is derived, which is important only when photons penetrate a hot, sparse electron plasma. The derivation of plasma redshift is based entirely on conventional axioms of physics. When photons penetrate a cold and dense plasma, they lose energy through ionization and excitation, Compton scattering on the individual electrons, and Raman scattering on the plasma frequency. But in sparse hot plasma, such as in the solar corona, the photons lose energy also in plasma redshift. The energy loss per electron in the plasma redshift is about equal to the product of the photon's energy and one half of the Compton cross-section per electron. In quiescent solar corona, this heating starts in the transition zone to the corona and is a major fraction of the coronal heating. Plasma redshift contributes also to the heating of the interstellar plasma, the galactic corona, and the intergalactic plasma. Plasma redshift explains the solar redshifts, the redshifts of the galactic corona, the cosmological redshifts, the cosmic microwave background, and the X-ray background. The plasma redshift explains the observed magnitude-redshift relation for supernovae SNe Ia without the big bang, dark matter, or dark energy. There is no cosmic time dilation. The universe is not expanding. The plasma redshift, when compared with experiments, shows that the photons' classical gravitational redshifts are reversed as the photons move from the Sun to the Earth. This is a quantum mechanical effect. As seen from the Earth, a repulsion force acts on the photons. This means that there is no need for Einstein's Lambda term. The universe is quasi-static, infinite, and everlasting.

研究动机与目标

• 解释太阳日冕加热现象，其加热程度远超标准辐射与传导模型的预测。
• 在不依赖宇宙膨胀或暗能量的前提下，提供宇宙学红移的物理解释机制。
• 在非膨胀、准静态宇宙模型下，调和观测到的Ia型超新星的星等-红移关系。
• 重新诠释经典引力红移，指出其在离子体参考系中方向反转，暗示光子受到量子诱导的排斥力作用。
• 统一解释宇宙微波背景、X射线背景以及星间等离子体加热现象，基于同一机制。

提出的方法

• 通过高温稀薄等离子体中光子-电子相互作用的量子力学处理，推导离子体红移，重点研究光子在多个电子间发生的相干多次散射。
• 应用量子电动力学与修正贝塞尔函数（K₀, K₁）计算能量损失率，引入量子力学阻尼因子 δ₁ = 1.1474 和 δ₂ = 0.8150。
• 使用停止功率公式 Q = −dE/dx，即单位路径长度的能量转移速率，结合电子密度 Ne、光子频率 ω₀ 和电子速度 v。
• 引入涉及离子体频率的共振项与硬碰撞项，总截面表示为 σₘₙ ∝ (Z²e⁴Ne / ħ²v²) · |Xₘₙ|² · [ln(2mγ²v² / δ₁²ħω₀) − δ₂v²/c²]。
• 将理论预测与太阳过渡区、日冕、太阳风及星系日冕的实验数据对比，验证模型有效性。
• 重新诠释引力红移在离子体参考系中方向反转，提出光子受到量子诱导的排斥力，从而消除爱因斯坦宇宙常数（Λ）的必要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理机制可解释太阳日冕加热现象，其程度超出标准康普顿散射与辐射过程的预测？
• RQ2 能否在不假设宇宙膨胀或暗能量的前提下，解释宇宙学红移？
• RQ3 离子体红移如何解释Ia型超新星观测到的星等-红移关系？
• RQ4 量子力学阻尼在高温稀薄等离子体中光子能量损失过程中起何作用？
• RQ5 宇宙微波背景与X射线背景能否通过星间与星际等离子体中的离子体红移机制加以解释？

主要发现

• 离子体红移导致每个电子的能量损失约为康普顿散射的200,000倍，使其成为高温稀薄等离子体中主导的加热机制。
• 能量损失率表达式为 Q = (2πZ²e⁴Ne,ω₀ / mv²) · [ln(2mγ²v² / δ₁²ħω₀) − δ₂v²/c²]，其中 δ₁ = 1.1474 与 δ₂ = 0.8150 来自量子力学阻尼。
• 离子体红移可解释弗朗茨-赫夫勒谱线的太阳红移，以及太阳过渡区与日冕中观测到的红移，与实验数据高度一致。
• 该理论将宇宙微波背景与X射线背景解释为星间与星际等离子体中离子体红移的产物。
• 在不依赖暗能量、宇宙时间膨胀或大爆炸的前提下，成功再现了Ia型超新星的星等-红移关系。
• 经典引力红移在离子体参考系中方向反转，暗示光子受到量子诱导的排斥力，从而消除了爱因斯坦Λ项的必要性。